Microscopía electrónica criogénica
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Un microscopio electrónico de transmisión (2015).
Micrografía crioelectrónica del virus marino gigante CroV
(la barra de escala representa 200 nm) [1]

La microscopía electrónica criogénica ( crio-EM ) es una técnica de microscopía electrónica (EM) que se aplica a muestras enfriadas a temperaturas criogénicas e incrustadas en un entorno de agua vítrea . Se aplica una solución de muestra acuosa a una rejilla y se congela por inmersión en etano líquido o una mezcla de etano líquido y propano. [2] Si bien el desarrollo de la técnica comenzó en la década de 1970, los avances recientes en tecnología de detectores y algoritmos de software han permitido la determinación de estructuras biomoleculares con una resolución casi atómica. [3] Esto ha atraído una gran atención al enfoque como una alternativa a la cristalografía de rayos X o la espectroscopia de RMN. para la determinación de la estructura macromolecular sin necesidad de cristalización.

En 2017, el Premio Nobel de Química fue otorgado a Jacques Dubochet , Joachim Frank y Richard Henderson "por desarrollar microscopía crioelectrónica para la determinación de estructuras de alta resolución de biomoléculas en solución". [4] Nature Methods también nombró a cryo-EM como el "Método del año" en 2016. [5]

Criomicroscopía electrónica de transmisión

Artículo principal: Criomicroscopía electrónica de transmisión.

La microscopía electrónica de transmisión criogénica (cryo-TEM) es una técnica de microscopía electrónica de transmisión que se utiliza en biología estructural y ciencia de materiales .

  • Imagen Cryo-TEM de GroEL suspendida en hielo amorfo en50 000 × magnificación

  • Reproducir medios

    Estructura de la alcohol oxidasa de Pichia pastoris por Cryo-TEM

  • Imagen de microscopía electrónica de transmisión criogénica (cryoTEM) de una célula ARMAN intacta de una biopelícula de Iron Mountain. El ancho de la imagen es de 576 nm.

Historia

Desarrollo temprano

En la década de 1960, el uso de la microscopía electrónica de transmisión para los métodos de determinación de estructuras estaba limitado debido al daño por radiación debido a los haces de electrones de alta energía. Los científicos plantearon la hipótesis de que examinar muestras a bajas temperaturas reduciría el daño por radiación inducida por el haz. [11] Tanto el helio líquido (−269  ° C o 4  K o −452,2  ° F ) como el nitrógeno líquido (−195,79 ° C o 77 K o −320 ° F) se consideraron criógenos. En 1980, Erwin Knapek y Jacques Dubochet publicaron comentarios sobre el daño del rayo a temperaturas criogénicas compartiendo observaciones que:

Se encontró que los cristales delgados montados en una película de carbono eran de 30 a 300 veces más resistentes al haz a 4 K que a temperatura ambiente ... La mayoría de nuestros resultados se pueden explicar asumiendo que la crioprotección en la región de 4 K depende en gran medida de la temperatura. [12]

Sin embargo, estos resultados no fueron reproducibles y las enmiendas se publicaron en Nature solo dos años después informando que la resistencia del rayo era menos significativa de lo previsto inicialmente. La protección obtenida a 4 K estaba más cerca de "diez veces para muestras estándar de L- valina ", [13] que lo que se dijo anteriormente.

En 1981, Alasdair McDowall y Jacques Dubochet, científicos del Laboratorio Europeo de Biología Molecular , informaron sobre la primera implementación exitosa de cryo-EM. [14] McDowall y Dubochet vitrificaron agua pura en una película delgada rociándola sobre una película de carbón hidrófilo que se sumergió rápidamente en criógeno ( propano líquido o etano líquido enfriado a 77 K). La fina capa de hielo amorfo tenía menos de 1 µm de espesor y un patrón de difracción de electrones confirmó la presencia de hielo amorfo / vítreo. En 1984, el grupo de Dubochet demostró el poder de la crio-EM en biología estructural.con análisis de adenovirus vitrificado tipo 2, bacteriófago T4 , virus Semliki Forest , bacteriófago CbK y virus de la estomatitis vesicular . [15]

Premio Nobel de Química 2017

En 2017, tres científicos, Jacques Dubochet , Joachim Frank y Richard Henderson , recibieron el Premio Nobel de Química por desarrollar una técnica que tomaría imágenes de biomoléculas. [4]

Rival potencial de la cristalografía de rayos X

Artículo principal: cristalografía de rayos X

Hasta el 27 de octubre de 2020 , la cristalografía de rayos X se ha utilizado para obtener imágenes de 150 494 muestras biológicas y es la técnica dominante en microscopía biológica , con Cryo-EM muy por detrás con solo 6016. [16]

Sin embargo, según Nature , los avances en los detectores de electrones directos (a menudo denominados dispositivos de detección directa o DDD) en la Universidad de Cambridge [17] y la automatización de la producción de muestras por SPT labtech [18] han llevado a un aumento en el uso en campos biológicos, [19] haciendo de Cryo-EM un rival potencial.

La resolución de la cristalografía de rayos X está limitada por la pureza del cristal, [20] y la creación de estas muestras requiere mucho tiempo, hasta meses o incluso años. [19] Además, algunas proteínas son difíciles de cristalizar. [19] [21] Aunque la preparación de la muestra para Cryo-EM todavía es laboriosa, [22] no tiene estos problemas ya que observa la muestra en su “estado nativo”. [21]

Según Proteopedia , la resolución mediana lograda por cristalografía de rayos X (al 19 de mayo de 2019) en el Protein Data Bank es 2.05 Å, [20] y la resolución más alta lograda registrada (al 27 de octubre de 2020) es 0.48 UNA. [23] A partir de 2020, la mayoría de las estructuras de proteínas determinadas por Cryo-EM tienen una resolución más baja de 3-4 Å. [24] Sin embargo, las mejores resoluciones de Cryo-EM se acercan a 1,5 Å, [25] lo que lo convierte en un competidor justo en resolución en algunos casos.

Luz correlativa Cryo-TEM y Cryo-ET

Artículo principal: microscopía electrónica de luz correlativa

En 2019, se utilizaron luz correlativa Cryo-TEM y Cryo-ET para observar nanotubos tunelizados (TNT) en células neuronales. [26]

Criomicroscopía electrónica de barrido

Artículo principal: Criomicroscopía electrónica de barrido

La criomicroscopía electrónica de barrido (cryoSEM) es una técnica de microscopía electrónica de barrido con una etapa fría de un microscopio electrónico de barrido en una cámara criogénica.

Ver también

  • Criofijación
  • Tomografía electrónica (ET)

Referencias

  1. ^ Xiao, C., Fischer, MG, Bolotaulo, DM, Ulloa-Rondeau, N., Avila, GA y Suttle, CA (2017) "La reconstrucción de Cryo-EM de la cápside del virus Cafeteria roenbergensis sugiere una nueva ruta de ensamblaje para virus gigantes ". Scientific Reports , 7 : 5484. doi : 10.1038 / s41598-017-05824-w .
  2. ^ Tivol, William F .; Briegel, Ariane; Jensen, Grant J. (octubre de 2008). "Un criógeno mejorado para la congelación por inmersión" . Microscopía y Microanálisis . 14 (5): 375–379. Código bibliográfico : 2008MiMic..14..375T . doi : 10.1017 / S1431927608080781 . ISSN  1431-9276 . PMC  3058946 . PMID  18793481 .
  3. ^ Cheng Y, Grigorieff N, Penczek PA, Walz T (abril de 2015). "Una cartilla para microscopía crioelectrónica de una sola partícula" . Celular . 161 (3): 438–449. doi : 10.1016 / j.cell.2015.03.050 . PMC 4409659 . PMID 25910204 .  
  4. ^ a b Cressey D, Callaway E (octubre de 2017). "La microscopía crioelectrónica gana el Nobel de química" . Naturaleza . 550 (7675): 167. Código bibliográfico : 2017Natur.550..167C . doi : 10.1038 / nature.2017.22738 . PMID 29022937 . 
  5. ^ Doerr, Allison (enero de 2017). "Tomografía crioelectrónica". Métodos de la naturaleza . 14 (1): 34. doi : 10.1038 / nmeth.4115 . ISSN 1548-7091 . S2CID 27162203 .  
  6. ^ Nannenga, Brent L; Shi, Dan; Leslie, Andrew GW; Gonen, Tamir (3 de agosto de 2014). "Determinación de estructuras de alta resolución mediante recogida de datos de rotación continua en MicroED" . Métodos de la naturaleza . 11 (9): 927–930. doi : 10.1038 / nmeth.3043 . PMC 4149488 . PMID 25086503 .  
  7. ^ Jones, Christopher G .; Martynowycz, Michael W .; Hattne, Johan; Fulton, Tyler J .; Stoltz, Brian M .; Rodríguez, José A .; Nelson, Hosea M .; Gonen, Tamir (2 de noviembre de 2018). "El método CryoEM MicroED como una herramienta poderosa para la determinación de la estructura de pequeñas moléculas" . Ciencia Central ACS . 4 (11): 1587-1592. doi : 10.1021 / acscentsci.8b00760 . PMC 6276044 . PMID 30555912 .  
  8. ↑ de la Cruz, M Jason; Hattne, Johan; Shi, Dan; Seidler, Paul; Rodríguez, José; Reyes, Francis E; Sawaya, Michael R; Cascio, Duilio; Weiss, Simon C (2017). "Estructuras de resolución atómica a partir de cristales de proteína fragmentados con el método cryoEM MicroED" . Métodos de la naturaleza . 14 (4): 399–402. doi : 10.1038 / nmeth.4178 . PMC 5376236 . PMID 28192420 .  
  9. ^ Gruene T, Wennmacher JT, Zaubitzer C, Holstein JJ, Heidler J, Fecteau-Lefebvre A, De Carlo S, Müller E, Goldie KN, Regeni I, Li T, Santiso-Quinones G, Steinfeld G, Handschin S, van Genderen E, van Bokhoven JA, Clever GH, Pantelic R (octubre de 2018). "Determinación rápida de la estructura de compuestos moleculares microcristalinos mediante difracción de electrones" . Angewandte Chemie . 57 (50): 16313-16317. doi : 10.1002 / anie.201811318 . PMC 6468266 . PMID 30325568 .  
  10. ↑ Cheng, Yifan (31 de agosto de 2018). "Cryo-EM de una sola partícula: cómo llegó aquí y adónde irá" . Ciencia . 361 (6405): 876–880. Código bibliográfico : 2018Sci ... 361..876C . doi : 10.1126 / science.aat4346 . ISSN 0036-8075 . PMC 6460916 . PMID 30166484 .   
  11. ^ Dubochet J, Knapek E (abril de 2018). "Altibajos en la crio-microscopía electrónica temprana" . PLOS Biología . 16 (4): e2005550. doi : 10.1371 / journal.pbio.2005550 . PMC 5929567 . PMID 29672565 .  
  12. ^ Knapek E, Dubochet J (agosto de 1980). "El daño del haz a la materia orgánica se reduce considerablemente en la microscopía crioelectrónica". Revista de Biología Molecular . 141 (2): 147–61. doi : 10.1016 / 0022-2836 (80) 90382-4 . PMID 7441748 . 
  13. ^ Newmark P (30 de septiembre de 1982). "Esperanzas que se desvanecen de la microscopía de crio-transmisión" . Naturaleza . 299 (5882): 386–387. Código Bibliográfico : 1982Natur.299..386N . doi : 10.1038 / 299386c0 .
  14. ^ Dubochet, J .; McDowall, AW (diciembre de 1981). "Vitrificación de agua pura para microscopía electrónica" . Revista de microscopía . 124 (3): 3–4. doi : 10.1111 / j.1365-2818.1981.tb02483.x .
  15. ^ Adrian, Marc; Dubochet, Jacques; Lepault, Jean; McDowall, Alasdair W. (marzo de 1984). "Microscopía crioelectrónica de virus" . Naturaleza . 308 (5954): 32–36. Código Bibliográfico : 1984Natur.308 ... 32A . doi : 10.1038 / 308032a0 . ISSN 0028-0836 . PMID 6322001 . S2CID 4319199 .   
  16. ^ "RCSB PDB - Informe de existencias" . www.rcsb.org . Consultado el 27 de octubre de 2020 .
  17. ↑ Callaway, Ewen (10 de septiembre de 2015). "La revolución no se cristalizará: un nuevo método atraviesa la biología estructural" . Nature News . 525 (7568): 172-174. Bibcode : 2015Natur.525..172C . doi : 10.1038 / 525172a . PMID 26354465 . 
  18. ↑ Baker, Monya (25 de septiembre de 2018). "Se perfila la microscopía crioelectrónica" . Naturaleza . 561 (7724): 565–567. Código Bib : 2018Natur.561..565B . doi : 10.1038 / d41586-018-06791-6 . PMID 30254359 . 
  19. ↑ a b c Callaway, Ewen (10 de febrero de 2020). "El revolucionario crio-EM se está apoderando de la biología estructural" . Naturaleza . 578 (7794): 201. Bibcode : 2020Natur.578..201C . doi : 10.1038 / d41586-020-00341-9 . PMID 32047310 . 
  20. ^ a b "Resolución - Proteopedia, vida en 3D" . proteopedia.org . Consultado el 27 de octubre de 2020 .
  21. ^ a b "Servicios Cryo-EM - Bioestructura creativa" . www.creative-biostructure.com . Consultado el 27 de octubre de 2020 .
  22. ↑ Bhella, David (1 de agosto de 2019). "Microscopía crioelectrónica: introducción a la técnica y consideraciones a la hora de trabajar para establecer una instalación nacional" . Revisiones biofísicas . 11 (4): 515–519. doi : 10.1007 / s12551-019-00571-w . ISSN 1867-2469 . PMC 6682334 . PMID 31359340 .   
  23. ^ Banco, datos de proteínas RCSB. "RCSB PDB" . www.rcsb.org . Consultado el 27 de octubre de 2020 .
  24. ^ Yip, Ka Man; Fischer, Niels; Paknia, Elham; Chari, Ashwin; Stark, Holger (2020). "Determinación de la estructura de la proteína de resolución atómica por crio-EM". Naturaleza . 587 (7832): 157-161. Código Bibliográfico : 2020Natur.587..157Y . doi : 10.1038 / s41586-020-2833-4 . PMID 33087927 . 
  25. ↑ Bhella, David (1 de agosto de 2019). "Microscopía crioelectrónica: introducción a la técnica y consideraciones a la hora de trabajar para establecer una instalación nacional" . Revisiones biofísicas . 11 (4): 515–519. doi : 10.1007 / s12551-019-00571-w . ISSN 1867-2469 . PMC 6682334 . PMID 31359340 .   
  26. ^ Sartori-Rupp, Anna; Cordero Cervantes, Diégo; Pepe, Anna; Gousset, Karine; Delage, Elise; Corroyer-Dulmont, Simon; Schmitt, Christine; Krijnse-Locker, Jacomina; Zurzolo, Chiara (diciembre de 2019). "La microscopía crioelectrónica correlativa revela la estructura de los TNT en las células neuronales" . Comunicaciones de la naturaleza . 10 (1): 342. Bibcode : 2019NatCo..10..342S . doi : 10.1038 / s41467-018-08178-7 . ISSN 2041-1723 . PMC 6341166 . PMID 30664666 .   
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